Acoperirile UV de înaltă performanță, polimerizabile, au fost utilizate în fabricarea pardoselilor, mobilierului și dulapurilor timp de mulți ani. În cea mai mare parte a acestui timp, acoperirile UV 100% solide și pe bază de solvent au fost tehnologia dominantă pe piață. În ultimii ani, tehnologia de acoperire UV pe bază de apă a cunoscut o creștere semnificativă. Rășinile UV pe bază de apă s-au dovedit a fi un instrument util pentru producători din diverse motive, inclusiv trecerea testelor de colorare KCMA, rezistența chimică și reducerea COV-urilor. Pentru ca această tehnologie să continue să crească pe această piață, au fost identificați mai mulți factori cheie în care trebuie făcute îmbunătățiri. Aceștia vor duce rășinile UV pe bază de apă dincolo de simpla „caracteristică obligatorie” pe care o posedă majoritatea rășinilor. Acestea vor începe să adauge proprietăți valoroase acoperirii, aducând valoare fiecărei poziții de-a lungul lanțului valoric, de la formulatorul acoperirii la aplicatorul din fabrică, la instalator și, în final, la proprietar.
Producătorii, în special în zilele noastre, își doresc o acoperire care să facă mai mult decât să îndeplinească specificațiile. Există, de asemenea, și alte proprietăți care oferă beneficii în fabricație, ambalare și instalare. Un atribut dorit este îmbunătățirea eficienței instalației. Pentru acoperirea pe bază de apă, aceasta înseamnă o eliberare mai rapidă a apei și o rezistență mai rapidă la blocare. Un alt atribut dorit este îmbunătățirea stabilității rășinii pentru captarea/reutilizarea unei acoperiri și gestionarea inventarului acestora. Pentru utilizatorul final și instalator, atributele dorite sunt o rezistență mai bună la lustruire și lipsa urmelor metalice în timpul instalării.
Acest articol va discuta noile dezvoltări în domeniul poliuretanilor pe bază de apă, întăribili cu UV, care oferă o stabilitate mult îmbunătățită a vopselei la 50 °C, atât în acoperiri transparente, cât și în cele pigmentate. De asemenea, discută modul în care aceste rășini răspund atributelor dorite ale aplicatorului de acoperire, crescând viteza liniei de aplicare prin eliberarea rapidă a apei, rezistență îmbunătățită la blocare și rezistență la solvenți în afara liniei de aplicare, ceea ce îmbunătățește viteza operațiunilor de stivuire și ambalare. Acest lucru va îmbunătăți, de asemenea, deteriorarea în afara liniei de aplicare care apare uneori. Acest articol discută, de asemenea, îmbunătățirile demonstrate în ceea ce privește rezistența la pete și substanțe chimice, importante pentru instalatori și proprietari.
Fundal
Peisajul industriei de acoperiri este în continuă evoluție. „Cerințele obligatorii” de a respecta specificațiile la un preț rezonabil per mil aplicat pur și simplu nu sunt suficiente. Peisajul acoperirilor aplicate în fabrică pe dulapuri, tâmplărie, pardoseli și mobilier se schimbă rapid. Formulatorii care furnizează acoperiri fabricilor sunt rugați să facă acoperirile mai sigure pentru angajați, să elimine substanțele care prezintă motive de îngrijorare, să înlocuiască COV-urile cu apă și chiar să utilizeze mai puțin carbon fosil și mai mult biocarbon. Realitatea este că, de-a lungul lanțului valoric, fiecare client solicită acoperirii să facă mai mult decât să îndeplinească specificațiile.
Văzând o oportunitate de a crea mai multă valoare pentru fabrică, echipa noastră a început să investigheze la nivel de fabrică provocările cu care se confruntau acești aplicatori. După numeroase interviuri, am început să auzim câteva teme comune:
- Obstacolele legate de permisiuni îmi împiedică atingerea obiectivelor de extindere;
- Costurile cresc, iar bugetele noastre de capital scad;
- Costurile energiei și ale personalului sunt în creștere;
- Pierderea angajaților cu experiență;
- Obiectivele noastre generale și administrative, precum și cele ale clientului meu, trebuie îndeplinite; și
- Concurența de peste mări.
Aceste teme au condus la declarații de propuneri de valoare care au început să rezoneze cu aplicatorii de poliuretani pe bază de apă, întăribili cu UV, în special pe piața tâmplăriei și a mobilierului, cum ar fi: „producătorii de tâmplărie și mobilier caută îmbunătățiri ale eficienței fabricilor” și „producătorii doresc capacitatea de a extinde producția pe linii de producție mai scurte, cu mai puține daune la reprelucrare datorită acoperirilor cu proprietăți de eliberare lentă a apei”.
Tabelul 1 ilustrează modul în care, pentru producătorul de materii prime pentru acoperiri, îmbunătățirile anumitor atribute ale acoperirilor și proprietăți fizice duc la creșteri ale eficienței care pot fi obținute de către utilizatorul final.
TABELUL 1 | Atribute și beneficii.
Prin proiectarea de PUD-uri polimerizabile cu UV cu anumite atribute enumerate în Tabelul 1, producătorii finali vor putea să răspundă nevoilor pe care le au în ceea ce privește îmbunătățirea eficienței instalațiilor. Acest lucru le va permite să fie mai competitivi și, eventual, să își extindă producția actuală.
Rezultate experimentale și discuții
Istoricul dispersiilor poliuretanice polimerizabile cu UV
În anii 1990, utilizările comerciale ale dispersiilor anionice de poliuretan care conțin grupări acrilat atașate la polimer au început să fie utilizate în aplicații industriale.1 Multe dintre aceste aplicații au fost în ambalaje, cerneluri și acoperiri pentru lemn. Figura 1 prezintă o structură generică a unui PUD polimerizabil cu UV, demonstrând modul în care sunt proiectate aceste materii prime de acoperire.
FIGURA 1 | Dispersie generică de poliuretan cu funcționalitate acrilat.3
După cum se arată în Figura 1, dispersiile poliuretanice polimerizabile cu UV (PUD-uri polimerizabile cu UV) sunt alcătuite din componentele tipice utilizate pentru a produce dispersii poliuretanice. Diizocianații alifatici reacționează cu esterii, diolii, grupările de hidrofilizare și agenții de extindere a lanțului tipici utilizați pentru a produce dispersii poliuretanice.2 Diferența constă în adăugarea unui ester funcțional acrilat, a unui epoxi sau a eterilor încorporați în etapa de pre-polimer în timpul fabricării dispersiei. Alegerea materialelor utilizate ca elemente constitutive, precum și arhitectura și procesarea polimerului, dictează performanța și caracteristicile de uscare ale unui PUD. Aceste alegeri privind materiile prime și procesarea vor duce la PUD-uri polimerizabile cu UV care pot fi peliculogene, precum și la cele peliculogene.3 Tipurile peliculogene sau de uscare fac obiectul acestui articol.
Formarea peliculei, sau uscarea, cum este adesea numită, va produce pelicule coalescente care sunt uscate la atingere înainte de întărirea UV. Deoarece aplicatorii doresc să limiteze contaminarea aerului a acoperirii din cauza particulelor, precum și nevoia de viteză în procesul lor de producție, acestea sunt adesea uscate în cuptoare ca parte a unui proces continuu înainte de întărirea UV. Figura 2 prezintă procesul tipic de uscare și întărire a unui PUD întăribil cu UV.
FIGURA 2 | Procedeu de polimerizare a unui PUD polimerizabil cu UV.
Metoda de aplicare utilizată este de obicei prin pulverizare. Cu toate acestea, s-au folosit și aplicarea cu cuțitul peste rolă și chiar aplicarea cu strat de acoperire superficială. Odată aplicat, stratul de acoperire trece de obicei printr-un proces în patru etape înainte de a fi manipulat din nou.
1. Flash: Aceasta se poate face la temperaturi ambientale sau ridicate, timp de câteva secunde până la câteva minute.
2. Uscarea în cuptor: Aici sunt eliminate apa și cosolvenții din acoperire. Această etapă este critică și, de obicei, consumă cel mai mult timp dintr-un proces. Această etapă are loc de obicei la >60 °C și durează până la 8 minute. Se pot utiliza și cuptoare de uscare cu zone multiple.
- Lampă IR și mișcarea aerului: Instalarea lămpilor IR și a ventilatoarelor de mișcare a aerului va accelera și mai mult fluxul de apă.
3. Întărire UV.
4. Răcire: După întărire, stratul de acoperire va trebui să se întărească o anumită perioadă de timp pentru a obține rezistența la blocare. Această etapă poate dura până la 10 minute înainte de a se obține rezistența la blocare.
Experimental
Acest studiu a comparat două PUD-uri (WB UV) polimerizabile cu UV, utilizate în prezent pe piața dulapurilor și tâmplăriei, cu noua noastră dezvoltare, PUD # 65215A. În acest studiu, comparăm Standardul #1 și Standardul #2 cu PUD #65215A în ceea ce privește uscarea, blocarea și rezistența chimică. De asemenea, evaluăm stabilitatea pH-ului și stabilitatea vâscozității, care pot fi critice atunci când se ia în considerare reutilizarea excesului de pulverizare și durata de valabilitate. Mai jos, în Tabelul 2, sunt prezentate proprietățile fizice ale fiecăreia dintre rășinile utilizate în acest studiu. Toate cele trei sisteme au fost formulate la un nivel similar de fotoinițiator, COV și nivel de solide. Toate cele trei rășini au fost formulate cu 3% co-solvent.
TABELUL 2 | Proprietățile rășinii PUD.
În interviurile noastre, ni s-a spus că majoritatea acoperirilor WB-UV de pe piețele de tâmplărie și mobilier se usucă pe o linie de producție, ceea ce durează între 5-8 minute înainte de întărirea UV. Prin contrast, o linie UV pe bază de solvent (SB-UV) se usucă în 3-5 minute. În plus, pentru această piață, acoperirile sunt de obicei aplicate umed la o grosime de 4-5 mils. Un dezavantaj major al acoperirilor pe bază de apă, întăribile cu UV, în comparație cu alternativele pe bază de solvent, întăribile cu UV, este timpul necesar pentru a se aplica apa pe o linie de producție.4 Defecte de film, cum ar fi petele albe, vor apărea dacă apa nu a fost îndepărtată corespunzător de pe strat înainte de întărirea UV. Acest lucru se poate întâmpla și dacă grosimea peliculei umede este prea mare. Aceste pete albe sunt create atunci când apa rămâne prinsă în interiorul foliei în timpul întăririi UV.5
Pentru acest studiu, am ales un program de întărire similar cu unul care ar fi utilizat pe o linie de producție pe bază de solvent, cu întărire UV. Figura 3 prezintă programul nostru de aplicare, uscare, întărire și ambalare utilizat pentru studiul nostru. Acest program de uscare reprezintă o îmbunătățire cu 50% până la 60% a vitezei generale a liniei față de standardul actual de piață în aplicațiile de tâmplărie și mobilier.
FIGURA 3 | Programul de aplicare, uscare, întărire și ambalare.
Mai jos sunt condițiile de aplicare și întărire pe care le-am folosit pentru studiul nostru:
●Aplicare prin pulverizare peste furnir de arțar cu un strat de bază negru.
●Bliț la temperatura camerei, timp de 30 de secunde.
●Uscare la cuptor cu convecție la 60 °C timp de 2,5 minute.
●Întărire UV – intensitate aproximativ 800 mJ/cm2.
- Straturile transparente au fost întărite folosind o lampă cu Hg.
- Acoperirile pigmentate au fost întărite folosind o lampă combinată Hg/Ga.
●Răcire de 1 minut înainte de stivuire.
Pentru studiul nostru, am pulverizat și trei grosimi diferite de peliculă umedă pentru a vedea dacă s-ar putea obține și alte avantaje, cum ar fi mai puține straturi. Grosimea medie umedă de 4 mil este cea tipică pentru WB UV. Pentru acest studiu, am inclus și aplicații de acoperire umedă de 6 și 8 mil.
Rezultate de întărire
Rezultatele standardului nr. 1, un strat de acoperire transparent cu luciu intens, sunt prezentate în Figura 4. Stratul de acoperire transparent WB UV a fost aplicat pe o placă de fibre de densitate medie (MDF) acoperită anterior cu un strat de bază negru și întărită conform programului prezentat în Figura 3. La o grosime de 4 mils (10 mm) stratul de acoperire trece. Cu toate acestea, la aplicări umede de 6 și 8 mils (15,2 mm), stratul de acoperire s-a crăpat, iar 8 mils (20,2 mm) a fost îndepărtat ușor din cauza eliberării slabe a apei înainte de întărirea UV.
FIGURA 4 | Standardul nr. 1.
Un rezultat similar se observă și în Standardul nr. 2, prezentat în Figura 5.
FIGURA 5 | Standardul nr. 2.
Prezentat în Figura 6, folosind același program de întărire ca în Figura 3, PUD #65215A a demonstrat o îmbunătățire extraordinară a eliberării/uscării apei. La o grosime a peliculei umede de 8 mils, s-a observat o ușoară crăpare pe marginea inferioară a probei.
FIGURA 6 | PUD #65215A.
Au fost evaluate teste suplimentare ale PUD# 65215A într-un strat transparent cu luciu redus și un strat pigmentat peste același MDF cu un strat de bază negru pentru a evalua caracteristicile de eliberare a apei în alte formulări tipice de acoperire. După cum se arată în Figura 7, formularea cu luciu redus la aplicare umedă de 5 și 7 mils a eliberat apa și a format o peliculă bună. Cu toate acestea, la aplicare umedă de 10 mils, a fost prea groasă pentru a elibera apa în cadrul programului de uscare și întărire din Figura 3.
FIGURA 7 | PUD cu luciu redus #65215A.
Într-o formulă pigmentată albă, PUD #65215A a avut performanțe bune în același program de uscare și întărire descris în Figura 3, cu excepția cazului în care a fost aplicat la 8 mils umed. După cum se arată în Figura 8, pelicula se fisurează la 8 mils din cauza eliberării slabe de apă. Per total, în formulările transparente, cu luciu scăzut și pigmentate, PUD# 65215A a avut performanțe bune în formarea peliculei și uscarea atunci când a fost aplicat până la 7 mils umed și întărit conform programului accelerat de uscare și întărire descris în Figura 3.
FIGURA 8 | PUD pigmentat #65215A.
Blocarea rezultatelor
Rezistența la blocare este capacitatea unui strat de acoperire de a nu se lipi de un alt articol acoperit atunci când este stivuit. În fabricație, acest lucru reprezintă adesea un blocaj dacă durează timp până când un strat de acoperire întărit atinge rezistența la blocare. Pentru acest studiu, formulările pigmentate Standard #1 și PUD #65215A au fost aplicate pe sticlă la o grosime de 5 mils umede folosind o bară de tragere. Fiecare dintre acestea a fost întărită conform programului de întărire din Figura 3. Două panouri de sticlă acoperite au fost întărite în același timp - la 4 minute după întărire, panourile au fost fixate împreună, așa cum se arată în Figura 9. Acestea au rămas fixate împreună la temperatura camerei timp de 24 de ore. Dacă panourile au fost ușor separate fără amprente sau deteriorare a panourilor acoperite, atunci testul a fost considerat aprobat.
Figura 10 ilustrează rezistența îmbunătățită la blocare a PUD# 65215A. Deși atât Standardul #1, cât și PUD #65215A au obținut întărirea completă în testul anterior, doar PUD #65215A a demonstrat o eliberare suficientă de apă și întărire pentru a obține rezistența la blocare.
FIGURA 9 | Ilustrație a testului de rezistență la blocare.
FIGURA 10 | Rezistența de blocare a Standardului nr. 1, urmată de PUD nr. 65215A.
Rezultate amestecare acrilică
Producătorii de acoperiri amestecă adesea rășinile WB întăribile cu UV cu acrilici pentru a reduce costurile. Pentru studiul nostru, am analizat și amestecarea PUD#65215A cu NeoCryl® XK-12, un acrilic pe bază de apă, adesea utilizat ca partener de amestec pentru PUD-uri pe bază de apă întăribile cu UV pe piața tâmplăriei și a mobilierului. Pentru această piață, testarea petelor KCMA este considerată standardul. În funcție de aplicația finală, unele substanțe chimice vor deveni mai importante decât altele pentru producătorul articolului acoperit. O evaluare de 5 este cea mai bună, iar o evaluare de 1 este cea mai slabă.
După cum se arată în Tabelul 3, PUD #65215A are performanțe excepționale în testarea petelor KCMA ca transparent cu luciu intens, transparent cu luciu scăzut și ca strat pigmentat. Chiar și atunci când este amestecat 1:1 cu un acrilic, testul petelor KCMA nu este afectat drastic. Chiar și în cazul colorării cu agenți precum muștarul, stratul a revenit la un nivel acceptabil după 24 de ore.
TABELUL 3 | Rezistență chimică și la pete (evaluarea 5 este cea mai bună).
Pe lângă testarea petelor KCMA, producătorii vor testa și întărirea imediat după întărirea UV de pe linia de producție. Adesea, efectele amestecării acrilicelor vor fi observate imediat de pe linia de producție în acest test. Se așteaptă să nu existe o străpungere a stratului după 20 de frecări duble cu alcool izopropilic (20 IPA dr). Probele sunt testate la 1 minut după întărirea UV. În testele noastre, am observat că un amestec 1:1 de PUD# 65215A cu un acrilic nu a trecut acest test. Cu toate acestea, am observat că PUD #65215A poate fi amestecat cu 25% acrilic NeoCryl XK-12 și totuși să treacă testul de 20 IPA dr (NeoCryl este o marcă înregistrată a grupului Covestro).
FIGURA 11 | 20 de frecări duble cu IPA, la 1 minut după întărirea UV.
Stabilitatea rășinii
Stabilitatea PUD #65215A a fost, de asemenea, testată. O formulă este considerată stabilă la raft dacă, după 4 săptămâni la 40 °C, pH-ul nu scade sub 7, iar vâscozitatea rămâne stabilă în comparație cu valoarea inițială. Pentru testarea noastră, am decis să supunem probele unor condiții mai dure de până la 6 săptămâni la 50 °C. În aceste condiții, Standardele #1 și #2 nu au fost stabile.
Pentru testele noastre, am analizat formulele transparente cu luciu intens, transparente cu luciu scăzut, precum și formulele pigmentate cu luciu scăzut utilizate în acest studiu. După cum se arată în Figura 12, stabilitatea pH-ului tuturor celor trei formulări a rămas stabilă și peste pragul de pH de 7,0. Figura 13 ilustrează modificarea minimă a vâscozității după 6 săptămâni la 50 °C.
FIGURA 12 | Stabilitatea pH-ului pentru PUD #65215A formulat.
FIGURA 13 | Stabilitatea vâscozității PUD #65215A formulat.
Un alt test care a demonstrat performanța de stabilitate a PUD #65215A a fost testarea din nou a rezistenței la pete cu KCMA a unei formulări de acoperire care a fost învechită timp de 6 săptămâni la 50 °C și compararea acesteia cu rezistența sa inițială la pete cu KCMA. Acoperirile care nu prezintă o stabilitate bună vor înregistra scăderi ale performanței de colorare. După cum se arată în Figura 14, PUD# 65215A a menținut același nivel de performanță ca și în testarea inițială a rezistenței chimice/la pete a acoperirii pigmentate prezentată în Tabelul 3.
FIGURA 14 | Panouri de testare chimică pentru PUD pigmentat #65215A.
Concluzii
Pentru aplicatorii de acoperiri pe bază de apă, polimerizabile cu UV, PUD #65215A le va permite să îndeplinească standardele actuale de performanță pe piețele de tâmplărie, lemn și dulapuri și, în plus, va permite procesului de acoperire să înregistreze îmbunătățiri ale vitezei liniei de acoperire cu peste 50-60% față de acoperirile standard pe bază de apă, polimerizabile cu UV. Pentru aplicator, aceasta poate însemna:
●Producție mai rapidă;
●Grosimea crescută a peliculei reduce necesitatea unor straturi suplimentare;
●Linii de uscare mai scurte;
●Economisire de energie datorită nevoilor reduse de uscare;
● Mai puține resturi datorită rezistenței rapide la blocare;
●Reducerea pierderilor de acoperire datorită stabilității rășinii.
Cu COV mai mici de 100 g/l, producătorii sunt, de asemenea, mai capabili să își îndeplinească obiectivele privind COV-urile. Pentru producătorii care ar putea avea îngrijorări legate de extindere din cauza problemelor legate de autorizații, PUD #65215A cu eliberare rapidă a apei le va permite să își îndeplinească mai ușor obligațiile de reglementare fără a sacrifica performanța.
La începutul acestui articol, am menționat din interviurile noastre că aplicatorii de materiale UV-polimerizate pe bază de solvent ar usca și întări de obicei acoperirile într-un proces care durează între 3-5 minute. Am demonstrat în acest studiu că, conform procesului prezentat în Figura 3, PUD #65215A va întări grosimi de peliculă umedă de până la 7 mils în 4 minute, la o temperatură a cuptorului de 140 °C. Acest lucru se încadrează în intervalul de timp al majorității acoperirilor UV-polimerizate pe bază de solvent. PUD #65215A ar putea permite aplicatorilor actuali de materiale UV-polimerizate pe bază de solvent să treacă la un material UV-polimerizat pe bază de apă, cu mici modificări ale liniei lor de acoperire.
Pentru producătorii care iau în considerare extinderea producției, acoperirile bazate pe PUD #65215A le vor permite:
●Economisiți bani prin utilizarea unei linii de acoperire pe bază de apă mai scurte;
●Aveți o amprentă mai mică a liniei de acoperire în cadrul instalației;
●Au un impact redus asupra autorizației COV actuale;
●Realizați economii de energie datorită nevoilor reduse de uscare.
În concluzie, PUD #65215A va contribui la îmbunătățirea eficienței de fabricație a liniilor de acoperiri UV prin performanțe fizice ridicate și caracteristici de eliberare rapidă a apei ale rășinii atunci când este uscată la 140 °C.
Data publicării: 14 august 2024
